電源模塊在配網(wǎng)自動化中的應(yīng)用

摘要：

配網(wǎng)自動化是利用現(xiàn)代電子技術(shù)、通信技術(shù)、計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將配電網(wǎng)實時信息、離線信息、用戶信息、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、地理信息進行集成，構(gòu)成完整的自動化管理系統(tǒng)，實現(xiàn)配電系統(tǒng)正常運行及事故情況下的監(jiān)測、保護、控制和配電管理。(1)配網(wǎng)自動化的發(fā)展離不開各行業(yè)的配合與協(xié)調(diào)。金升陽科技有限公司為助力配網(wǎng)自動化發(fā)展專門推出了專用的以高可靠性著稱的電源，提供可靠高效的電源解決方案。

關(guān)鍵字：配網(wǎng)自動化;充電電源;金升陽;EMC;可靠性;配電終端;

1.引言

國家能源局發(fā)布《配電網(wǎng)建設(shè)改造行動計劃(2015—2020年》中明確提到：到2020年，中心城市(區(qū))智能化建設(shè)和應(yīng)用水平大幅提高，供電可靠率達到99.99%，用戶年均停電時間不超過1小時，供電質(zhì)量達到國際先進水平。2015-2020年，配電網(wǎng)建設(shè)改造投資不低于2萬億元。(2)

目前，我國的電力用戶平均停電時間是400分鐘，而發(fā)達國家均在100分鐘以內(nèi)，我國配網(wǎng)的可靠性和供電質(zhì)量與國際先進水平之間仍存在很大的努力空間(如圖1)。目前影響我國配網(wǎng)自動化可靠性和供電質(zhì)量的因素有哪些呢?從技術(shù)層面來看，無外乎兩個原因：硬件設(shè)備的可靠性、軟件上的配網(wǎng)信息和數(shù)據(jù)處理管理方式。

圖1 各國電力用戶平均停電時間(分鐘)

2. 系統(tǒng)組成及主要功能

配網(wǎng)自動化系統(tǒng)組成如下圖2所示。從設(shè)計的角度來說，主站層、子站層、通信層偏向于數(shù)據(jù)信息的軟件部分，該部分的設(shè)備一般作為數(shù)據(jù)信息的載體，設(shè)備的工作環(huán)境相對比較良好;終端層屬于硬件設(shè)備部分，與電網(wǎng)直接連接，多放置于戶外，供電情況和工作環(huán)境都十分惡劣。終端與電網(wǎng)連接，需要承受電網(wǎng)上的波動和干擾;終端連接開關(guān)閘門，在分閘和合閘的瞬間，對電壓的擾動非常大，甚至?xí)验_關(guān)閘門的供電電壓拉低。

圖2 配網(wǎng)自動化系統(tǒng)組成框圖(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

2013年國家能源局發(fā)布的電力行業(yè)標準《配電自動化遠方終端》DL/T 721中明確指出，電源回路電壓大于60V時，應(yīng)施加5KV試驗電壓。同時，終端需要具備良好的EMC抗干擾能力。EMC抗擾度等級需達到四級(最高等級)，且要求終端設(shè)備能正常工作，其性能指標應(yīng)符合基本性能的要求。EMC主要要求如表1所示。

為適應(yīng)配網(wǎng)自動化的應(yīng)用，終端的前端AC-DC電源需要具備同等的抗干擾能力，并且為后端的控制板和采集板提供主要的EMC防護。真可謂是首當其沖，任重而道遠了。

表1　配網(wǎng)自動化遠方終端EMC要求

3.配網(wǎng)自動化中電源推薦應(yīng)用方案

在配電終端中，DTU和FTU這兩類終端單元通常是帶開關(guān)閘門執(zhí)行機構(gòu)的，如圖4所示。因此必須考慮瞬態(tài)輸出功率。金升陽的MBP500-2A27D27充電電源正是為這樣的應(yīng)用而設(shè)計，可以提供高達1080W(300mS)的瞬態(tài)輸出功率，確保開關(guān)閘門執(zhí)行機構(gòu)按照指定指令進行動作，并且電壓擾動非常小，不會因為開關(guān)閘門執(zhí)行機構(gòu)的動作而影響其他電路的工作。

從圖3可以看出，如果電源反應(yīng)速度不夠快，無法及時調(diào)節(jié)，就會出現(xiàn)電壓跌落的現(xiàn)象。

圖3 開關(guān)閘門動作時，電壓擾動大(左圖)和電壓擾動小(右圖)對比

黃色：輸出電壓波形。藍色：開關(guān)閘門啟動電流波形

圖4 DUT/FTU配電終端電源框圖

金升陽配網(wǎng)自動化電源解決方案選型推薦：

通常MCU電路及其外圍電路需要與充電電源進行隔離，減少高頻干擾對MCU電路造成影響。此處推薦3000V隔離的超寬電壓輸入穩(wěn)壓電源URF2405LP-20WR3，從充電電源的輸出端取電，為MCU及其外圍電路提供穩(wěn)定的5V電壓，并且能夠解決共模浪涌對MCU的干擾。

遙信單元的供電電源推薦URF2424P-6WR3寬壓輸入DC-DC電源進行隔離，避免共模浪涌從遙信端口對系統(tǒng)造成沖擊。該沖擊輕則引起系統(tǒng)死機重啟，嚴重時還會引起系統(tǒng)損壞。

當給運放供電需要正負電源時，可以選擇A0512D-2WR2定壓輸入 DC-DC電源，提供±12V電壓輸出。485通信可選擇TD501D485H進行隔離，避免通信端口的干擾影響系統(tǒng)可靠性。

配網(wǎng)自動化系統(tǒng)設(shè)計要點解析：選用高隔離電源模塊、進行旁路處理。

由于終端面臨著嚴酷的EMC環(huán)境，系統(tǒng)存在多個地方接地，共模干擾對系統(tǒng)影響很大。對于電源的應(yīng)用，首先，應(yīng)盡量采用高隔離的電源模塊(如金升陽提供的3000V隔離URF系列的模塊)或者在敏感端口進行旁路處理(如在單片機復(fù)位端口上加1nF電容旁路)，以解決共模浪涌/脈沖群等共模類干擾對系統(tǒng)的影響，造成系統(tǒng)死機或者重啟。其次，應(yīng)在敏感的信號輸入輸出端口進行旁路處理。

那么，通常如何進行敏感端口的旁路處理呢?以下舉一個簡單但非常經(jīng)典的案例。如圖5所示：正常工作時，按照左圖進行設(shè)計，電路可以按照預(yù)定程序運行。當測試4KV脈沖群性能時，則容易出現(xiàn)三極管不受控、誤動作的情況。在系統(tǒng)中表現(xiàn)出來的現(xiàn)象就是繼電器誤跳動，一些指示燈或者一些裝置閃爍跳動等。這實際上是I/O口的走線較長或者控制回路較大時，容易耦合高頻信號，從而產(chǎn)生誤動作。添加旁路電容，可以減少高頻信號的耦合，減小對端口的干擾，提高產(chǎn)品的一致性和可靠性。當然，這只是提供一種解決方法，實際上可以用優(yōu)化布局等方法去解決。

圖5 典型端口處理案例原理圖

EMC的測試大部分屬于高頻干擾，容易通過地線和器件的寄生參數(shù)直接干擾后端的用電電路，因此，脈沖群影響繼電器誤動作，共模浪涌引起系統(tǒng)重啟等現(xiàn)象多有發(fā)生，只有恰當?shù)碾娫催x型加上優(yōu)質(zhì)的系統(tǒng)設(shè)計，才能實質(zhì)性的提高配電終端的可靠性。

4.總結(jié)

在嚴酷的EMC和用電環(huán)境中，要保證配網(wǎng)自動化的可靠性和改善用戶的用電質(zhì)量，對配電終端的電源可靠性要求是極高的，如EMC要求、輸出瞬態(tài)功率要求等。當然，這與系統(tǒng)的設(shè)計也是密不可分的，如果單純依靠電源來提高可靠性，是遠遠不夠的。金升陽不僅是在為配網(wǎng)自動化提供高可靠的電源解決方案，更是在不斷探索，把提高電源可靠性的技術(shù)推而廣之，為配網(wǎng)自動化的發(fā)展鼎力相助。

具體產(chǎn)品參數(shù)請查閱技術(shù)手冊：URF2405LP-20WR3， URF2424P-6WR3， A0512D-2WR2 ， TD501D485H

參考文獻：

【1】DL/T814-2002《配電自動化系統(tǒng)功能規(guī)范》

【2】《配電網(wǎng)建設(shè)改造行動計劃(2015—2020年》